Simulation of offshore floating hose oil transportation system based on AQWA and OrcaFlex
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摘要: 风浪流联合作用下漂浮软管的运动状态与受力情况非常复杂, 为此采用AQWA与OrcaFlex联合仿真的方法对海上漂浮软管输油系统进行动态仿真分析。通过建立数值模型, 利用AQWA软件对油船进行频域分析, 再利用OrcaFlex软件对漂浮软管、油船、浮筒、系泊缆之间的耦合运动进行时域分析。结果表明: 风浪流对漂浮软管所受张力影响呈非线性增长, 漂浮软管输油系统张力最大点在软管两端位置, 通过设置沿线系固锚可以明显降低软管所受张力, 减少漂移量。采用该方法和模型对输送距离为1 100 m的海上漂浮软管输油系统进行分析, 得出最优软管长度为1 300 m, 无沿线系固时软管漂移量约为300 m, 可以满足4级海况下的安全要求。研究成果对于此类海上漂浮软管输油系统的动态仿真分析具有借鉴意义。Abstract: Considering that the motion state and the stress of floating hose are complex under the combined action of winds, waves and currents, the dynamic simulation analysis of offshore floating hose oil transportation system was thereby carried out through the method of joint simulation based on AQWA and OrcaFlex.The numerical model was established to analyze the frequency domain of oil tanker by AQWA, and to perform the time domain analysis on the coupling motion between floating hose, oil tanker, buoy and mooring line by OrcaFlex.The results show that the influence of wind, waves and currents on the floating hose tension increases nonlinearly.The maximum tension points of the floating hose oil transportation system are at both ends of the hose.The tension acting on the hose can be obviously reduced and the drift distance can be shortened by setting securing anchors along the line.Through the analysis on the offshore floating hose oil transportation system with the transportation distance of 1 100 m, based on this method and model, it can be concluded that the optimal hose length is 1 300 m, the hose drift distance is about 300 m when no securing anchor is set along the line, and the safety requirements can be met under 4-level sea state.The research results can provide certain reference for the dynamic simulation analysis of such offshore floating hose oil transportation system.
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Keywords:
- floating hose /
- sea state /
- dynamic simulation /
- frequency domain analysis /
- time domain analysis
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海上漂浮输油软管是一种以尼龙纤维为骨架, 内外涂有聚氨酯材料的高强度输油软管, 具有质量轻、抗拉强度高、抗弯刚度小、易盘卷等特点, 被广泛应用于快速装卸油的作业场合, 如在无码头条件下进行油船到岸滩区域的油料输送[1-4]或将失事油船上的油料卸载到油船或岸滩上。采用漂浮软管装卸油料的方法具有输送快捷、管道铺设简单、作业配套资源需求少、适用性广泛、通用性强等特点。漂浮软管自身质量轻、浮力大, 漂浮于海面之上, 很容易受到风浪流的作用, 受力分析属于几何非线性范围。对于海上漂浮输油系统, 由于漂浮软管、油船、浮筒、系泊缆之间的耦合作用, 漂浮软管的动态受力分析十分复杂。
国外针对海上漂浮软管的研究并不多见, 主要集中于对海洋工程柔性立管的研究[5-13]。中国对海上漂浮软管的研究起步较晚, 相关研究成果较少[14], 主要集中在两个方面: ①采用静态分析方法对漂浮软管受力进行近似分析研究[15-18]; ②采用动态分析的方法, 利用有限元软件分析漂浮软管在风浪流载荷下的受力变化, 或者在模拟波浪下分析软管所受的外载荷作用力[19-20]。为全面了解海上漂浮输油系统中漂浮软管的形态与张力变化, 有必要建立全系统仿真模型, 分析漂浮软管、油船、浮筒、系泊缆之间的耦合运动, 以获得风浪流环境载荷下漂浮软管的实时运动和张力变化。
1. 海上漂浮软管输油系统
某5 000吨级油船锚泊在距离海岸线1 200 m的位置, 在油船与岸滩之间铺设了一条漂浮软管, 将油料输送到岸上, 海上浮筒距离油船、岸滩分别为100 m, 1 100 m; 浮筒与油船之间的漂浮软管长120 m, 其余软管每根长100 m, 软管间采用接头连接(图 1)。油船总长100.5 m, 型宽18 m, 型深9.5 m, 通过4根系泊缆系泊; 油船系泊水域水深10 m, 海底平均坡度小于15°; 漂浮软管额定工作压力1.6 MPa, 壁厚3.5~4.5 mm, 单位质量2.5 kg/m，抗拉弹性模量7 GPa，轴向抗拉强度150 kN，抗弯刚度1 000 N/m。作业适应海况：展收海况不大于2级，作业海况不大于3级，生存海况不大于4级，适应海流不大于1.02 m/s。
2. 分析方法与计算工况
2.1 分析方法
AQWA是用于分析船舶与海洋工程结构物水动力性能的专业软件, 在国际上享有较高知名度。OrcaFlex是业内先进的海洋工程柔性立管和系泊分析软件, 可以对锚泊系统、海洋工程立管系统、水下软管等进行分析。采用AQWA和OrcaFlex联合仿真方法对海上漂浮软管输油系统进行频域和时域的数值仿真分析, 步骤如下:
(1) 建立油船数值模型后, 将模型数据导入AQWA软件的输入数据文件, 利用AQWA-LINE模块进行频域分析, 计算规则波下油船的波浪载荷和响应。
(2) 利用OrcaFlex软件中已有的软管模块建立漂浮软管的数值模型。
(3) 基于AQWA软件的计算结果, 利用OrcaFlex软件对漂浮软管、船体、浮筒、系泊缆之间的耦合运动进行时域分析, 仿真风浪流环境影响下漂浮软管的实时运动, 得到时域下软管张力随时间的变化曲线。
2.2 计算工况
表 1给出了某海上漂浮软管输油系统仿真计算工况, 主要包括海况级别、风速、风向、浪向等。
表 1 某海上漂浮软管输油系统仿真计算工况表
风选用NPD谱，海浪选用JONSWAP谱，该谱由“北海海浪联合计划”测量分析得到，波浪谱公式为：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2020/5/href="yqcy-39-5-582-E1.png")
(1) ![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2020/5/href="yqcy-39-5-582-E2.png")
(2) ![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2020/5/href="yqcy-39-5-582-E3.png")
(3) 式中: Sζ (ω)为波浪谱密度。α为无因次常数。x为风区长度, m。v为平均风速, m/s。ωp为谱峰频率。γ为谱峰提升因子, 平均值为3.3。σ为峰形参数, 当ω ≤ωp时, σ =0.07;当ω > ωp时, σ =0.09。ω为波浪频率。
3. 仿真模型及数值分析
3.1 漂浮软管长度与张力的关系
由赵伟[20]的研究可知, 软管两端点的距离确定后, 软管所受张力与软管长度有关: 长度越长, 所受张力越小, 但漂移量越大; 软管长度增加到一定程度后, 张力继续变小、速度放缓, 但漂移量一直增大。反之, 软管所受张力越大, 漂移量越小。
当漂浮软管两端点距离确定时, 可以通过分析不同长度下软管所受张力与变形情况, 根据张力变缓的拐点来确定最优软管长度。该海上漂浮软管输油系统的浮筒与岸上系固点之间的距离为1 100 m, 分别对长度为1 200 m、1 300 m、1 400 m的漂浮软管进行4级海况下的动态仿真分析(表 2)。可见, 海上系固浮筒与岸上系固点间的漂浮软管越长, 漂浮软管与浮筒系泊缆张力越小, 但漂移量增大; 当软管由1 200 m增至1 300 m时, 软管与浮筒系泊缆张力减小非常明显(32%和16%); 在软管长度大于1 400 m后, 软管与浮筒系泊缆张力减小量变缓(6%和3%)。由此, 可确定漂浮软管张力变化率拐点发生在软管长度为1 300 m附近。因此, 当海上系固浮筒距离岸滩1 100 m时, 系固浮筒与岸上系固点之间的输油软管长1 300 m最优。
表 2 4级海况下不同长度漂浮软管的仿真计算结果
3.2 漂浮软管张力与海况的关系
确定了漂浮软管最优长度为1 300 m后, 将油船加注口到海上终端的漂浮软管定义为hose1, 其余各段软管编号依次为hose2、hose3、…、hose14;其中hose1长120 m, hose2~hose14长度均为100 m(图 2)。对2级、3级、4级海况下的漂浮软管进行动态数值分析(表 3)可见, 漂浮软管最大张力为40.05 kN, 对于轴向抗拉强度为150 kN的漂浮软管在4级海况下的安全系数为3.75，符合CCS 《海上移动平台入级与建造规范》中锚索的要求。因此，在4级海况下海上漂浮软管可以安全使用。
表 3 不同海况下漂浮软管最大张力及安全系数统计
3.3 漂浮软管增加沿线系固时张力与漂移量的变化
利用漂浮软管进行油料输送时, 由于作业海域面积受限且长时间作业, 为了提高可靠性和减少漂浮软管的漂移量, 在漂浮软管沿线每段软管接头处布置了一个100 kg的系固锚进行系固。对该情况进行数值分析, 首先在原数值模型基础上增加沿线系固, 模型中连接海上系固浮筒与软管的系泊缆为poly1, 沿线系泊缆依次为poly2、poly3、…、poly13(图 3)。模拟得到沿线系固的海上漂浮软管与沿线系泊缆在2级、3级、4级海况下所受最大张力(表 4)及增加沿线系固前后漂浮软管漂移量(表 5)。可见, 增加沿线系固后, 软管张力、偏移量降低幅度均超过70%。
表 4 不同海况下沿线系固的海上漂浮软管和沿线系泊缆最大张力统计结果
表 5 增加沿线系固后海上漂浮软管漂移量变化统计结果
3.4 漂浮软管沿线系固某点失效时的变化
根据表 4统计结果, 沿线系泊缆索中poly6张力最大, 若poly6由于走锚或系缆断裂等原因发生失效, 则海上漂浮软管存在风险, 对该工况进行分析(图 4), 得到此工况下漂浮软管和沿线系泊缆最大张力(表 6)。可见, 在4级海况下, 当poly6失效时, hose2仍然为张力最大软管, 为8.79 kN; 沿线系泊缆中, poly10张力最大, 为11.59 kN。
表 6 poly 6系泊缆失效时漂浮软管和沿线系泊缆最大张力统计结果
2016年在广州某海域3~4级海况下通过海上漂浮软管输油系统对5 000吨级油船实施海到岸油料输送试验，试验数据与该模型分析结果基本一致，验证了仿真分析方法和模型的正确性。
4. 结论
采用AQWA与Orcaflex软件模拟了海上漂浮软管输油系统, 研究了漂浮软管在风浪流环境影响下的最优长度、形态及张力变化, 得出以下结论:
(1) 海况对漂浮软管所受张力的影响很大, 呈非线性增长, 软管张力最大点为其与海上、岸滩连接端点位置。
(2) 增加软管沿线系固装置可以明显降低软管所受张力, 减少漂移量。
(3) 当软管沿线系固装置某一个点发生失效时, 软管和系泊缆张力会少量增加, 可合理设置沿线系泊缆的安全裕量。
(4) 当输送距离为1 100 m时, 综合考虑系统受力与漂移量, 软管长度为1 300 m较好; 无沿线系固时的漂移量约为300 m, 漂浮软管最大张力为40.05 kN; 对于抗拉强度为150 kN的漂浮软管, 在4级海况下的安全系数为3.75, 可以安全使用。
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